超低溫閥門的結構優化設計

呂延彬 郭睿

摘 要：隨著超低溫流體介質應用范圍的不斷擴大，其生產制造、儲存及運輸設備也得到了快速發展，其中超低溫閥門既是這些設備中關鍵的結構部件，對整個加工或運輸系統都起到至關重要的作用。文章是針對液化天然氣運輸設備中超低溫閥門進行優化設計，首先討論超低溫閥門的材料選擇，其次對閥門的各個子元素結構進行分析研究，討論其必要性，并針對介質特性對超低溫閥門中關鍵結構進行優化設計。

關鍵詞：超低溫閥門；優化設計；結構分析；液化天然氣

引言

隨著我國經濟與工業的快速發展，液化天然氣也逐漸成為人們生活中必備的能源物質，它具有一定的清潔性與低溫性。目前，液化天然氣使用率正在以大幅度增長趨勢而不斷增加，在全球市場上也是增長速度最快的能源之一。液化天然氣具有易燃、易爆與易汽化等特點，因此研究液化天然氣的運輸、存儲以及控制設備，對于確保液化天然氣的穩定供給，以及提高整個設備的操作與運輸安全都具有十分重要的實際意義。由于閥門是流體輸送系統中的主要控制部件，具有導流、截止、調節、穩壓、分流且防止逆流或溢流泄壓等作用，文章既是針對液化天然氣運輸設備中的關鍵結構，即超低溫閥門進行優化設計，討論超低溫閥門的材料選擇，并對閥門的各個子元素結構進行分析研究，討論其必要性，并提出部分設計要點。

1 超低溫閥門的材料選擇

超低溫閥門的設計首要即是針對材料的選擇，縱觀閥門發展的歷程，用于制作閥門的材料是多種多樣的，主要包括：黃銅、鍛鋼、不銹鋼、鑄鋼、鑄鐵等[1]。由于液化天然氣是一種不同于常規流體的一種特殊的低溫流體，閥門的材料必須要適應低溫工作環境，同時還需考慮液化天然氣的特性，使材料能夠很好地引導低溫流體介質。其次是針對閥門密封結構的設計，因閥門的工作環境溫度不穩定，具有一定的變化幅度，從而極易使導致閥門元件受損且產生控制誤差，因此為了實現有效誤差補償，密封結構可設計成柔性。同時對于閥門材料必須要進行深冷處理，以穩定材料的金相組織，消除可能存在的低溫變形[2]，使材料在服役過程中，不會出現突然的失效。由于液化天然氣的低溫可達到-165℃，而常見的金屬材料在很低的溫度下其強度和韌性均可能會有所變化，因此當閥門控制的介質溫度低于-70℃時，一般使用非金屬密封副材料，而目前國內的低溫球閥主要采用PCTFE材料作為軟密封閥座材料。

2 超低溫閥門的結構設計

2.1 閥蓋結構設計

閥蓋如同一個建筑的屋頂，對于閥蓋的設計尤為重要。首先需要考慮閥腔內介質的溫度，對于液化天然氣而言，其溫度可低至-165℃，而閥門填充材料的使用溫度卻高于零度，因此在設計超低溫閥門閥蓋時，需要采取長頸閥蓋結構，使閥門填充材料盡可能遠離閥體中介質，避免了閥桿以及閥蓋上部件在低溫環境中凍結的可能，從而保證閥門的正常運行。

2.2 滴水板結構設計

由于閥門內傳遞是低溫介質，為了避免或減少介質溫度向閥桿及其上端的填充材料傳遞，防止這些材料因凍結而失效，可在閥門中增加滴水板結構。一些研究機構對這種帶有滴水板結構的閥門進行了實驗驗證，并證明了帶有滴水板的閥門閥蓋上端溫度較高。由于延長閥蓋上部的溫度較低，通常情況下閥門暴露在空氣中，空氣中的水蒸氣遇到低溫閥蓋會液化成水珠，滴水板的直徑超過中法蘭直徑，可以防止低溫液化的水蒸氣滴落在中法蘭螺栓上，避免螺栓銹燭影響在線維修。

2.3 泄壓部件的結構設計

一些低溫介質在汽化后其體積會升高，例如，液化天然氣汽化后的體積為液態時的六百多倍，當閥門為閉合狀態且周圍環境溫度相對較高時，閥體內的低溫介質吸收環境中熱量而逐漸汽化，其體積迅速上升，從而導致閥門內壓力增加。其結果不僅破壞閥門內元件及閥座等部件，甚至使閥門工作失效。因此在閥門入口端必須要設計泄壓結構，一般設計為泄壓孔形式，以保證腔體和入口管道的連通防止腔體異常升壓。

2.4 防靜電結構設計

到目前為止，國內的低溫球閥仍主要采用PCTFE材料作為軟密封閥座材料，然而這種材料具有靜電聚集效應，且液化天然氣又具有易燃易爆等特點，從而極易導致靜電火花的產生，其后果不堪設想，因此對于防靜電結構的設計是十分必要的。而對于防靜電結構以一種類似避雷針的引導電流方式設計為導通裝置，將閥桿與閥體導通，從而將靜電導出以消除安全隱患，保證整個系統的供應安全。

2.5 密封結構設計

密封結構設計是整個閥門的關鍵部分，在低溫介質狀況下，僅僅采用填充材料的方式實現閥門密封的效果較差，還需要考慮密封的結構及其材料。一般而言，首先需要考慮填充材料，除了上述材料外，還可增加柔性石墨填料，此外還需增加不同結構與層數的密封圈；其次采用碟簧組預緊式結構，以補償環境溫度與介質溫度的變化及其傳遞溫度變化時導致的螺栓變形量，同時減少在長時間工作環境下填料及密封元件的損耗。

2.6 防火結構設計（如圖1所示）

圖1 閥體閥蓋雙道密封結構

防火結構的設計主要是針對因溫度劇烈變化而導致的介質泄露問題而進行的。如圖1所示，閥體和閥蓋連接部位采用唇式密封圈和石墨纏繞墊片的雙道密封結構，閥桿密封部位也采用唇式密封圈、石墨填料組和O形圈多重密封結構[3]。這種防火結構在火災發生時，可以使用閥體中腔中的石墨纏繞墊片以及石墨填料組織進行介質密封，避免了密封圈因熔化失效而導致的低溫流體泄露問題。此外有些閥體的防火結構采用了金屬閥座與非金屬密封環的雙重密封防火結構，這種情況可以在第一道非金屬密封環因溶化而失效的情況下，其第二道防火密封的金屬閥座在彈簧預緊力作用下，將閥座推向球體而阻斷管線流體防止內漏。

3 超低溫閥門的閥桿組合設計

由于介質的超低溫特性，閥桿的組合設計應具有彈簧蓄能圈、密封墊片、止退墊片、中間閥桿填料、填料壓套、填料壓板以及碟形彈簧等部件。其中彈簧蓄能密封圈的作用是當閥腔內低溫介質遇熱汽化而升高壓力時，該密封圈可在壓力作用下緊貼密封溝槽，防止泄露；中間的一些部件為防爆部件，即當腔內壓力較高時，可形成保護層，避免閥桿在高壓作用下被沖出；對于碟型彈簧部件而言，其主要形成預緊式壓緊填料，補償因溫度變化而導致的密封件松弛。

與此同時，閥門的設計還需考慮環境的影響，例如環境溫度較高時，直接影響到閥門中材料的選擇、閥桿的長度以及中間填充的輔助部件等。因為較高的環境溫度容易與低溫介質對流，即使中間有物質阻隔，也容易導致溫度傳遞，產生熱交換，而這種情況會導致很多關于閥門可靠性問題的產生。因此針對特殊的環境，設計不同的超低溫閥門結構與材料，以應對各種環境下超低溫介質運輸或存儲的穩定，同時保證整個系統的安全。

總而言之，超低溫閥門的應用隨著液化天然氣消費量的增加而逐漸擴大，文章既是對液化天然氣運輸設備中的超低溫閥門進行了優化設計，討論了超低溫閥門的材料選擇，分析研究了閥門的各個子元素結構，討論了設計的必要性，并針對介質特性提出了閥門中關鍵部分的結構設計。

參考文獻

[1]史淼直.液化天然氣用超低溫閥門[J].閥門，2012（2）：24-26.

[2]孫奇，肖箭，鄧德偉.液化天然氣用超低溫閥門的設計與研究[J].閥門，2013（1）：6-11.

[3]吳堂榮，唐勇，孫曄，等.LNG船用超低溫閥門設計研究[J].船舶工程，2010，32：73-78.